Accueil🇫🇷Chercher

Air comprimé

L'air comprimé est de l'air prélevé dans l'atmosphère, dont on utilise la compressibilité à l'aide d'un système pneumatique. Cet air est maintenu sous une pression supérieure à celle de l'atmosphère.

Réservoirs d'air comprimé haute pression étagés

L'air comprimĂ© est considĂ©rĂ© comme le quatrième fluide utilisĂ© dans l’industrie, après l'Ă©lectricitĂ©, le gaz naturel et l'eau[1]. En Europe, au dĂ©but des annĂ©es 2000, 10 % de toute l'Ă©lectricitĂ© utilisĂ©e par l'industrie sert Ă  produire de l'air comprimĂ©, cette consommation s'Ă©levant Ă  80 TWh par an[2].

Production de l’air comprimé

Compresseur fixe Ă  pistons.

Selon la pression d’air et le dĂ©bit recherchĂ©s, on utilise pour la production de l'air comprimĂ© diffĂ©rents types de compresseurs d'air. Deux systèmes sont principalement utilisĂ©s, les compresseurs Ă  vis et ceux Ă  piston (gĂ©nĂ©ralement Ă  deux, trois ou quatre Ă©tages). Les compresseurs Ă  pistons Ă  trois Ă©tages permettent d’atteindre des pressions jusqu’à 300 bar. On emploie aussi des compresseurs rotatifs (compresseur Ă  turbine et Ă  palettes) et des compresseurs Ă  membrane. Le dĂ©bit d'un compresseur est exprimĂ© en litres par minute (symbole : l/min) ou en mètres cubes par heure (symbole : m3/h).

La compression de l’air, outre les pertes d'énergie dans le compresseur, s’accompagne d’une transformation d'une partie de l'énergie mécanique transférée au gaz comprimé en énergie thermique (chaleur) qui reste le plus souvent inexploitée : l'énergie correspondante est perdue par transfert de chaleur hors du système. Et en sens inverse, il y aura également des pertes lors de l'utilisation de l'énergie mécanique (sous forme de différence de pression) que le gaz comprimé contient. Utiliser l'air comprimé comme vecteur d'énergie implique donc d'accepter une perte d'énergie importante, environ la moitié. Elle se justifie par la simplicité des dispositifs (Moteur à air comprimé, vérins) fonctionnant à l'énergie pneumatique, ce qui leur donne de nombreux avantages : fiabilité, faible coût, rapport poids/puissance très favorable (eg : marteau-piqueur[3], turbine dite "roulette" de dentiste), ainsi que par le fait que de nombreuses applications utilisent une énergie tellement réduite qu'il n'est pas très important d'en perdre (eg : petits outils de toute sorte -- sécateur, agrafeuse, visseuse, etc. --, actionneurs de porte automatique ou de nombreux engins industriel).

Exemples d'utilisation

Bouteille d'air comprimé dans le sous-marin militaire Russe classe Foxtrot.

En tant que « matériau »

  • Gonflage de structures pneumatiques : (canot pneumatique, pneus, piscines gonflables…)
  • Air comprimĂ© respiratoire (plongĂ©e sous-marine, caisson hyperbare)
  • Production de bulles dans les procĂ©dĂ©s industriels, Ă©ventuellement alimentaires (mĂ©lange, allĂ©gement d’un produit, par exemple les sorbets et les crèmes glacĂ©es qui sont vendus au litre et non au kilogramme)
  • Matière première pour la production d'oxygène, d'azote ou d'argon.

Alimentation d’outils en énergie

  • Fraise de dentiste : vitesses de rotation de 50 000 Ă  plus de 200 000 tours par minute ;
  • Marteaux burineurs de petite ou grande taille : puissance Ă©levĂ©e, poids rĂ©duit ;
  • ClĂ©s Ă  choc - boulonneuses : serrage des boulons avec rĂ©glage de la pression (serrage au couple pneumatique) ;
  • Agrafeuses et marteaux pneumatiques : rafales de plusieurs dizaines de pièces par minute ;
  • Visseuses pneumatiques (avec chargeur) ;
  • Tournevis pneumatiques (notamment dans les chaĂ®nes d’assemblage) ;
  • Nettoyage et dĂ©colmatage pneumatique de filtres ;
  • Sablage ;
  • Foreuses et meuleuses pneumatiques : grosse puissance, vitesse Ă©levĂ©e, faible poids ;
  • Pose de rivets ;
  • Cloueur pneumatique ;
  • Pompes Ă  graisse ;
  • Scies ;
  • Pinces coupantes, pince Ă  sertir ;
  • Polissage, meulage, etc.

Avantages

Dans l'industrie, les circuits d'air comprimé permettent d'alimenter des outils et des automatismes et présentent certains avantages :

  • transport facile dans des conduites bon marchĂ© ;
  • propretĂ© ;
  • faible coĂ»t des composants ;
  • grande robustesse, pas de risque de dĂ©tĂ©rioration pour cause de surcharge (moteurs pneumatiques de visseuses) ;
  • pas de pollution pour les Ă©chappements d’air et les fuites ;
  • utilisation idĂ©ale en milieu explosif ;
  • capacitĂ© de refroidissement ;
  • peu sensible Ă  une atmosphère insalubre (cas des forges et fonderies) ;
  • peu sensible aux grands Ă©carts de tempĂ©rature (cas des forges et fonderies) ;
  • peu sensible aux champs Ă©lectromagnĂ©tiques (soudeuses, fours) ;
  • peu sensible aux vibrations ;
  • peu sensible aux poussières du fait que les armoires sont en lĂ©gère surpression (due au fonctionnement et Ă  l'Ă©chappement des gaz) ;
  • plus sĂ©curisant que l'emploi de l'Ă©lectricitĂ© ;
  • dĂ©pannage possible par le technicien responsable du chantier.

Inconvénients

Malgré de nombreux avantages, l’automatisation par l’air comprimé présente des inconvénients :

  • nĂ©cessitĂ© d'assurer la propretĂ© de l'air (filtration). Aucune impuretĂ© (poussière, etc.) ne doit pĂ©nĂ©trer dans le système. L'eau (venant en particulier de la condensation de l'humiditĂ© de l'air ambiant) et l'huile (venant du compresseur) doivent ĂŞtre retirĂ©es Ă  l'aide de filtres ou de sĂ©cheurs ; toutefois, il peut ĂŞtre nĂ©cessaire de rĂ©introduire de l'huile pour lubrifier certains outils : cette huile se retrouve alors Ă  l'Ă©chappement ;
  • difficultĂ© d’obtenir des vitesses rĂ©gulières et des puissances constantes, du fait de la compressibilitĂ© de l’air et des variations de pression lors de sa dĂ©tente ;
  • relatives faiblesses des forces dĂ©veloppĂ©es : pour des efforts importants, il est prĂ©fĂ©rable voire impĂ©ratif de faire appel Ă  un système hydraulique ;
  • bruit des Ă©chappements : ce phĂ©nomène dĂ©sagrĂ©able se trouve en partie rĂ©solu grâce Ă  l’utilisation de silencieux ;
  • rendement plutĂ´t faible : les lois de la thermodynamique et le peu d'attention parfois accordĂ©e Ă  l'efficacitĂ© Ă©nergĂ©tique (thermodynamique) (fuites) peuvent entraĂ®ner des gaspillages et un rendement plus faible (20 Ă  40 %) que celui de systèmes Ă©lectriques ;
  • il n'existe pas ou peu de gaz prĂ©-comprimĂ© exploitable Ă  l'Ă©tat naturel. Il est donc nĂ©cessaire de comprimer l'air artificiellement (consommation d'une autre Ă©nergie), ce qui n'en fait qu'un moyen de transport ou de stockage d'Ă©nergie, mais pas une source d'Ă©nergie primaire.

Domaine de la force

Bouteille d’air utilisée pour le démarrage de groupes électrogènes.

Les marteaux-piqueurs utilisés dans les travaux publics.

Les compresseurs, moteurs et vérins pneumatiques peuvent servir à transmettre une force à distance et à composer les machines-outils les plus diverses : d’un simple piston éjecteur à une chaîne de montage complète, capables de forer, fraiser, déplacer, centrer la pièce à usiner, en jouant sur les mouvements rotatifs ou linéaires – lents ou ultra rapides – avec une souplesse et un prix de revient beaucoup plus intéressants que ceux permis par l’électricité ou l’hydraulique.

Autres exemples d'utilisation : Les catapultes des porte-avions du début du XXe siècle[4], le freinage des véhicules poids-lourds[5] et des locomotives et wagons des chemins de fer[6] (freins pneumatiques et électropneumatiques)[7], le lancement des moteurs Diesel, le démarrage des moteurs de F1, de camions, de certains avions (via l'APU) et des groupes électrogènes.

Automatisme

Circuit pneumatique.

Des circuits logiques complètement pneumatiques (cellules pneumatiques) peuvent équiper les machines dont nous venons de parler, en combinaison éventuellement avec des commandes ou des contrôles électroniques.

Armes à air comprimé

Les armes dites à « air comprimé » regroupent toutes les armes à canon court (pistolet) ou long (carabines) utilisant la détente d'un gaz afin de propulser un projectile, les armes à ressort actionnant un piston qui comprime l’air pour expulser un projectile, ainsi que les lanceurs de billes de peinture utilisés pour le paintball.

Plongée sous-marine

En plongĂ©e sous-marine, l'air comprimĂ© est utilisĂ© pour la respiration sub-aquatique, Ă  l'aide de bouteilles contenant gĂ©nĂ©ralement entre 12 et 18 litres d'air comprimĂ© Ă  200 bars.

Énergie motrice

Sous-marin Le Plongeur 1863, Rochefort, Longueur : 42,50 m, Poids : 381 tonnes
MusĂ©e de l'Air et de l'Espace : avion de 1,90 mètre d'envergure, Victor Tatin 1879

La détente de l'air comprimé a été utilisée très tôt comme énergie de propulsion pour divers véhicules à air comprimé. Le moteur du véhicule n'émet en effet aucun gaz polluant et est silencieux.

On peut citer les locomotives utilisées dans les mines et les tunnels (percement du tunnel ferroviaire du Saint-Gothard), les tramways comme ceux du système Mékarski mis en service à Nantes en 1879[8] et utilisés jusqu'en 1917 et les locomotives de l'Arpajonnais sur la partie parisienne du trajet.

Dans certaines industries, l’usage de l’électricité est à proscrire, notamment en raison du risque d’explosions, c’est ainsi qu’on retrouvait des locomotives à air comprimé dans les charbonnages et qu’il existe des appareils d’éclairage équipés d’une micro-turbine qui entraîne un alternateur.

Un sous-marin propulsé par de l'air comprimé a été développé vers 1860 à Rochefort par l'ingénieur Charles Brun : le Plongeur[9]. L'air comprimé est aussi actuellement utilisé pour vider les ballasts des sous-marins.
Au XIXe siècle, les premières torpilles étaient propulsées par de l’air comprimé.

Aéronautique : L’ingénieur et pionnier de l’aéronautique Victor Tatin construisit en 1879 un modèle réduit opérationnel d’avion mu par un moteur à air comprimé[10].

La Ville de Paris, cas unique au monde, aura disposé jusqu'en 1994 d'un réseau urbain plus que centenaire de distribution d'air comprimé à six bars étendu à tous les arrondissements et à la proche banlieue (Compagnie Parisienne d'Air Comprimé qui deviendra la Société urbaine d'air comprimé - SUDAC). Le but poursuivi par Victor Popp, le promoteur de ce réseau, était la distribution de la force motrice alors que les réseaux électriques n'existaient pas encore. L'air actionnait des petits moteurs dans quantité d'ateliers. Il servait aussi à faire du froid (par détente) chez les cafetiers-limonadiers de la capitale et au fonctionnement d'innombrables ascenseurs hydropneumatiques dans les beaux immeubles. Un réseau indépendant piloté par une horloge centrale commandait le mécanisme d'horloges[11] publiques et privées unifiant ainsi l'heure dans la ville.

De nouveaux développements dans le domaine des véhicules non polluants sont aussi apparus récemment[12].

Intérêt potentiel de l'air comprimé pour les moteurs

Dans le domaine du stockage d'énergie et des moteurs, un avantage de l'air comprimé tient au fait que les réservoirs utilisés pour emmagasiner cette énergie peuvent être fabriqués très simplement à peu de frais à partir de nombreux matériaux banals, durables, peu couteux et souvent facile à recycler ou à détruire proprement, tels que l'aluminium, l'acier, des composites de toutes sortes (fibre de carbone etc.) etc. Il n'y a donc pas de limitation de disponibilité en ressources rares et chères (ex : Lithium) comme il peut y en avoir pour les batteries.

Il en est de même pour les dispositifs de remplissage, qui sont également banals ; et des dispositifs d'utilisation (moteur à air comprimé, vérins). C'est d'ailleurs dans les avantages de ces dispositifs (poids/puissance favorable, simplicité, fiabilité, faible coût, etc.) que réside le principal avantage de l'air comprimé.

Cependant, l'Ă©nergie contenue dans un rĂ©servoir d’air comprimĂ© est relativement faible : pour stocker une dizaine de kWh (l'Ă©quivalent d'un litre de carburant) sous forme d'air comprimĂ© Ă  250 bar il faut un rĂ©servoir de 300 litres, environ dix fois plus volumineux qu'un accumulateur lithium correspondant. Et le cycle complet ne restituera que moins de la moitiĂ© de l'Ă©nergie fournie au dĂ©part du stockage, avec des limites thĂ©oriques incontournables : une partie de l'Ă©nergie mĂ©canique de compression sera transformĂ©e en Ă©nergie thermique du gaz comprimĂ©e, et perdue pendant le stockage avec le retour Ă  tempĂ©rature ambiante du rĂ©servoir. Dans certains cas on peut envisager de rĂ©-augmenter cette Ă©nergie potentielle en chauffant l’air, avec de l'Ă©thanol par exemple ; l’avantage par rapport au moteur Ă  combustion interne serait que cette combustion serait produit Ă  pression ambiante, dans des conditions oĂą il n’y a pas formation de monoxyde d’azote ; mais cela implique un dispositif plus complexe, et ne change rien Ă  la perte initiale. D'autres projets cherchent Ă  rĂ©cupĂ©rer l'Ă©nergie thermique en interposant un rĂ©servoir de chaleur isolĂ©, qui capterait la chaleur du gaz comprimĂ© et la restituerait au moment de l'utilisation.

Énergie pneumatique - calculs de modélisation pour l'air

L'énergie pneumatique est l'énergie emmagasinée dans un gaz comprimé. Elle est exploitée dans un système pneumatique.

Une estimation de l'Ă©nergie disponible dans un volume donnĂ© d’air est fournie dans l’article en rĂ©fĂ©rence. Les calculs liĂ©s Ă  un système pneumatique utilisent la masse volumique de l’air, qui est de 1,293 kg/Nm3 (Nm3 = 1 normo mètre cube qui est une une unitĂ© de mesure Ă©tablie Ă  la pression atmosphĂ©rique normale de 1,013 Ă— 105 Pa = 1 atm Ă  0 °C de tempĂ©rature).

Stockage d'Ă©nergie

Le stockage d’énergie par air comprimĂ© (CAES) est un moyen de stocker l’énergie excĂ©dentaire produite en heures creuses (par exemple par des Ă©oliennes ou des panneaux solaires) pour ensuite l’utiliser en heures de pointe ou lorsqu’il n’y a plus de production (exemple : les panneaux solaires la nuit). L’air comprimĂ© produit peut ĂŞtre stockĂ© dans des bonbonnes ou dans des cavernes souterraines[13]. Une installation de stockage d'Ă©nergie Ă  air comprimĂ© en caverne (0,3 GWh) a Ă©tĂ© mise en service en Chine an 2022[14]. Une autre, plus importante (GWh) est en cours d'installation en Californie[15].

La technique des accumulateurs oléo-pneumatiques peut aussi être utilisée en alternative aux batteries des alimentations sans interruption et permettre de pallier les pannes de secteur pour l'alimentation électrique de réseaux critiques (hôpitaux, serveurs informatique…)[16].

Énergie éolienne

Sont à l'étude des éoliennes équipées de compresseurs d'air pour stocker l'énergie.

Autres usages

Différents procédés utilisent l'air comprimé comme source d’énergie :

  • le procĂ©dĂ© Triger de fondation par air comprimĂ© Ă©tait largement utilisĂ© au XIXe siècle pour rĂ©aliser des fondations en milieu humide (ou dans le lit de fleuves) en utilisant l'air comprimĂ© pour repousser l'eau le temps des travaux ;
  • des rĂ©seaux de poste pneumatique ont existĂ© au xxe siècle dans quelques villes europĂ©ennes et amĂ©ricaines (Ă  Paris jusqu'en 1984), pour propulser dans des tubes souterrains, Ă  l'aide d'air comprimĂ©, des boĂ®tes cylindriques pour transporter du courrier ou de petits objets[17]. Cette technique est toujours employĂ©e dans l’industrie, certaines banques et aux caisses des grands magasins. Ă€ proprement parler, le fluide moteur est de l'air surpressĂ© (moins de un bar de pression), mais Ă  grand dĂ©bit, et non de l'air comprimĂ©. Il est produit par des surpresseurs et non par des compresseurs[18] ;
  • Certains canons Ă  neige utilisent de l'air comprimĂ© pour projeter l'eau pulvĂ©risĂ©e[19] ; le refroidissement liĂ© Ă  la dĂ©tente de l'air participe Ă  la formation des cristaux de neige ;
  • la rĂ©frigĂ©ration et la production d'air froid par des tubes vortex utilisant de l'air comprimĂ© comme source d'Ă©nergie ;
  • certains disjoncteurs Ă  haute tension Ă  courant continu utilisent un jet d'air comprimĂ© pour souffler l'arc Ă©lectrique qui se forme lors de l'ouverture du contact ;
  • certains pistolets Ă  peinture et les aĂ©rographes utilisent l'air comprimĂ© pour pulvĂ©riser la peinture liquide et la projeter sur l'objet Ă  peindre.

Références

  1. (en) Compressed air - Industry's Fourth Utility
  2. (en) rapport Fraunhofer ISI - ADEME, l’air Comprimé en Europe
  3. le compresseur donne une idée de la taille du moteur équivalent dont il serait nécessaire d'équiper l'outil auquel est relié
  4. Histoire aéronavale, catapultes histoire-de.com, consulté en aout 2013
  5. MAHLE, structure d'un frein pneumatique mahle.com, voir archive
  6. Le frein ferroviaire à air comprimé Voisin.ch
  7. Freins ferroviaires pneumatiques Faiveley
  8. Tramway nantais MĂ©karski Amtuir.org
  9. Qui a inspiré le Nautilus du Capitaine Némo ? traqueur-stellaire.net, 8 décembre 2009
  10. (en) Hargrave - Les pionniers de l’aviation : Victor Tatin, sur ctie.monash.edu
  11. Calendriers Saga mesure du temps, consulté en septembre 2015
  12. Catecar SA, annonce en Suisse d'une voiture avec moteur Ă  air (voir archive).
  13. « ADELE : stockage adiabatique d’énergie par l’air comprimé », sur bulletins-electroniques.com (consulté en )
  14. Mise en service de la première caverne de stockage d'énergie à air comprimé de Chine french.china.org, le 28 mai 2022
  15. Un gigantesque projet de stockage d’électricité par air comprimé lancé en Californie revolution-energetique.com, janvier 2023
  16. (en) « PNU - compressed air battery »
  17. « Messagerie en sous-sol – La mémoire du pneu », sur franceculture.com.
  18. « Aerocom – Transport par tube pneumatique », sur aerocom-france.com.
  19. « La neige de culture », sur laclusaz.org.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Cet article est issu de wikipedia. Text licence: CC BY-SA 4.0, Des conditions supplémentaires peuvent s’appliquer aux fichiers multimédias.